Innovativer Ansatz für nachhaltige Polystyrol-Herstellung
Polystyrol zählt weltweit zu den bedeutendsten Kunststoffen, steht jedoch aufgrund seiner Herstellung aus fossilen Rohstoffen, des hohen Energiebedarfs und der geringen Recyclingquote in der Kritik. Ein Forschungsteam unter Leitung des Helmholtz-Zentrums Hereon hat nun eine alternative Form von Polystyrol entwickelt, die biobasierte Rohstoffe verwendet, energieeffizient produziert wird und biologisch abbaubar ist. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Chem Circularity veröffentlicht.
Verbreitung und Herausforderungen von Polystyrol
Polystyrol findet sich in zahlreichen Produkten, etwa in Schutzverpackungen für Elektronikgeräte, Zierleisten im Innenausbau sowie in Petrischalen. Die jährliche Produktionsmenge beträgt etwa 20 Millionen Tonnen. Traditionell wird Polystyrol aus Erdöl gewonnen und ist nur schwer recycelbar. Aufgrund der niedrigen Kosten für Neuprodukte werden gebrauchte Materialien häufig verbrannt oder deponiert. Zudem ist Polystyrol in der Umwelt kaum abbaubar.
Entwicklung eines nachhaltigen Polystyrols
Das Forscherteam hat eine neue Polystyrol-Variante entwickelt, die rund 50 % biobasierte Rohstoffe enthält. Hierfür wurde Styrol mit Itaconsäureanhydrid kombiniert, eine Verbindung, die durch Fermentation pflanzlicher Kohlenhydrate wie Zucker gewonnen wird. Diese Modifikation ermöglicht die Integration nachwachsender Ressourcen in das Polymer.
Energieeffiziente Produktion mittels Mikrowellentechnologie
Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, bei denen Reaktionsgefäße erhitzt werden, setzten die Wissenschaftler Mikrowellenstrahlung als Wärmequelle ein. Dieses Verfahren verkürzt die Reaktionszeit und reduziert den Energieverbrauch erheblich. Die Mikrowellentechnologie ist in der Polymerchemie bislang wenig verbreitet, zeigt jedoch großes Potenzial als energieeffiziente Alternative für kontrollierte Polymerisationsprozesse.
Förderung des Recyclings durch gezielte Sollbruchstellen
Zur Verbesserung der Abbaubarkeit wurde das Monomer dibenzo[c,e]oxepane-5-thione (DOT) eingesetzt, das Thioestergruppen in das Polymernetzwerk einfügt. Diese fungieren als Sollbruchstellen, die eine spätere chemische Zersetzung in kleinere Fragmente ermöglichen. Im Gegensatz zu herkömmlichem Polystyrol können diese Fragmente von Mikroorganismen abgebaut werden. Dieses Konzept folgt dem Prinzip des „Design-for-Degradation“, das den kontrollierten Abbau am Lebensende des Materials vorsieht und somit den Weg zu geschlossenen Materialkreisläufen eröffnet.
Verarbeitung und Anwendungsmöglichkeiten
Erste Versuche zeigen, dass das neue Polystyrol auf Spritzgussanlagen verarbeitet werden kann. Im Labor wurden Mini-Petrischalen mit einem Durchmesser von etwa einer 1-Euro-Münze hergestellt. Zukünftig sind vielfältige Anwendungen denkbar. Zudem weisen erste Untersuchungen mit menschlichen Stammzellen auf eine gute biologische Verträglichkeit hin, was die Nutzung für Zellkulturen ähnlich wie bei handelsüblichem Polystyrol ermöglicht.
Forschung für nachhaltige Zukunftslösungen
Das Helmholtz-Zentrum Hereon verfolgt das Ziel, durch interdisziplinäre Forschung und innovative Technologien den Erhalt einer lebenswerten Umwelt zu unterstützen. Mit etwa 1000 Mitarbeitenden werden neue Erkenntnisse für Klima-, Küsten- und Menschheitsfragen generiert. Dabei kommen Methoden wie experimentelle Studien, Modellierungen, künstliche Intelligenz und digitale Zwillinge zum Einsatz. Das Zentrum arbeitet eng mit nationalen und internationalen Partnern zusammen, um wissenschaftliche Erkenntnisse in politische, wirtschaftliche und gesellschaftliche Prozesse zu transferieren und so eine nachhaltige Zukunft zu fördern.
Kontakt für wissenschaftliche Rückfragen
- Phannaro Nhem
Institut für Funktionale Materialien für Nachhaltigkeit
Telefon: +49 (0)3328 352-375
E-Mail: phannaro.nhem@hereon.de
Originalpublikation
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S3051294826001593?via%3Dihub
